向真空要能量

【英国《新科学家》周刊1月22日一期文章】题：无限的能量激动人心的“鱼”
“刚才我还在忙于研究电磁现象，我想我已经抓住了一样好东西，但我难以说明。我费尽心思好不容易得到的，最后可能是杂草，而不是一条鱼。”
上面的文字出于迈克尔·法拉第，事实证明他抓住的确实是一条非常大的鱼。法拉第在研究电与磁关系方面取得的成就是19世纪最重要的研究成果之一，他的著作使人们对研究人类边缘知识的科学家面临的难题有了更加深入而独特的了解。你可能会说，乔丹·麦克莱也处在同样的境地。
去年，麦克莱得到了美国航天局为他研究真空能量提供的经费。他的研究项目是位于俄亥俄州克利夫兰的航天局格伦研究中心“突破性推进物理学”计划的一部分。该计划的目标是寻找有可能为航天器提供动力的新的推进方法。他的计划是制造一台微型机器，对这种真空能量及其产生的动力进行测量。如果一切进展顺利的话，麦克莱有可能抓到一条巨大无比的鱼。他希望能找到一种利用这种动力的办法，让它们去完成诸如驱动微型活塞、加热冷水乃至为航天器提供动力等一些有益的事情。真空并非真的空
大多数人认为，真空是空荡荡的。但是，根据量子电动力学（一种在非常小的规模上描述宇宙行为的理论），没有比这种观点更加荒谬的了。实际上，真空中到处充满着称作“零点能”的电磁能，这正是麦克莱希望加以利用的能量。“零点”中的“零”指的是，如果把宇宙温度降至绝对零度（宇宙可能的最低能态），部分能量就可能保留下来。实际上，这种能量是相当多的。物理学家对究竟有多少能量仍存有分歧，但麦克莱已经计算出，大小相当于一个质子的真空区所含的能量可能与整个宇宙中所有物质所含的能量一样多。
1948年，荷兰一位名叫亨德里克·卡西米尔的物理学家提出了一项检测这种能量存在的方案。从理论上看，真空能量以粒子的形态出现，并不断以微小的规模形成和消失。在正常情况下，真空中充满着几乎各种波长的粒子，但卡西米尔认为，如果使两个不带电的金属薄盘紧紧靠在一起，较长的波长就会被排除出去。接着，金属盘外的其他波就会产生一种往往使它们相互聚拢的力，金属盘越靠近，两者之间的吸引力就越强。1996年，物理学家首次对这种所谓的卡西米尔效应进行了测定。比萨饼盒空腔
麦克莱曾担任芝加哥伊利诺伊大学的电气工程教授，他希望再前进一步，并在威斯康星州里奇兰成立了量子场公司，以发展自己的设想。他和另外一些科学家对卡西米尔效应产生的排斥力和吸引力进行了计算。麦克莱分析的重点不是金属盘，而是微型金属盒。麦克莱称之为“空腔”。实验证明，卡西米尔力及其方向取决于空腔的形状。他说：“如果一个空腔的形状与比萨饼盒相同，那么对金属盒两个宽面的压力会使它们互相靠拢，但对两个窄面的压力会使它们互相分离。”
麦克莱发现，这种空腔最有趣的地方是它又长又薄，大小与一个大肠杆菌不相上下。这种空腔的一个重要特点是，其中一个宽面处于完全平衡的状态：内向与外向真空压力完全相等。不过，这是一种脆弱的平衡。这恰恰是它让人感兴趣的地方。跳舞的盒盖
麦克莱打算制造一个处于平衡状态的一面——称为盒盖——可自由移动的金属盒。倘若盒盖从平衡点向内略微移动，空腔内的真空压力将下沉，盒盖将进一步向内收缩。倘若盒盖向外移动，则结果正好相反，盒盖向外扩张。由此产生的位移是非常小的——不到100纳米。盒盖将被吸附在一条微型弹簧上。因此，当盒盖移动时，微型弹簧会被拉长或缩小，并且往往会返回原处。麦克莱希望，通过小心翼翼地使空腔的真空压力和弹簧的弹性保持平衡，并恰到好处地向盒盖施放初始脉冲，他能够创造出一个由卡西米尔力驱动的微型振荡器。
麦克莱打算分几个步骤攻克这一难题。卡西米尔排斥力一直未被测定，因此他的首要任务是看一看自己是否能完成此项工作。第二步是，对形状不同的空腔表面上的内向力和外向力进行测定，观察它们是否与预测值相符。如果一切顺利，他将准备制造一个共振空腔。挑战制造技术极限
制造实验性装置的工作交给曾担任微电子机械光学仪器公司总裁和原子能工程师的罗德·克拉克来完成。该公司是一家制造微电子机械设备的公司，总部设在亚拉巴马州的亨茨维尔。为了用硅制造出麦克莱的空腔，克拉克希望把传统的平版蚀刻技术与淀积技术结合起来——这项技术过去用于制造集成电路。
克拉克相信自己能制造出这些必要的装置。不过，他对这些难题也有相当清醒的认识，首先是尺寸问题。克拉克说，麦克莱提出的规格是当今制造技术的极限。
麦克莱和克拉克目前的计划是，在基片上制造一排由数百个空腔组成的无盖空腔，然后制造一个能盖住整排空腔的盖盒。这个盖盒将悬挂在整排空腔上方的弹簧上，并一点点移向盖盒。最初盖盒应保持不动，但当空腔靠近到足够近的位置时，真空压力差异会引起盖盒移动，甚至可能产生振动。透过显微镜仔细观察盖盒的表面，可以测出盖盒的位移，而且精确度极高。
麦克莱和克拉克希望，在享受美国航天局资助的3年内，他们能制造出3代装置。